JPH10505432A

JPH10505432A - High-speed optical system

Info

Publication number: JPH10505432A
Application number: JP8500709A
Authority: JP
Inventors: デビッドビーチ，アラン
Original assignee: IND RES Ltd
Current assignee: IND RES Ltd
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1998-05-26
Also published as: EP0770224A1; AU686393B2; WO1995034013A1; AU2684795A; CA2192328A1; EP0770224A4

Abstract

(57)【要約】本発明はレンズシステム及び／又は像検出器上に映す方法を提供する。レンズシステム及び方法は前記検出器上に実質的に平行入射光の焦点を合わせるために使用される。レンズシステムは、（ａ）２つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システム、（ｂ）同心球面焦点リデューサ、（ｃ）２つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システムの同心及び同心球面焦点リデューサの同心を結合するトランスファレンズシステムであって、同心の第２の中心に２つのミラーを持つシステムの同心の第１の中心を映し、かつ焦点リデューサの同心を映し、それによりこれらの利点をもつ単一の光学同心システムを提供する。またシステムには（ｄ）システム全体において全ての球面ミラーの球面収差の和を補正する手段と、（ｅ）開口絞りを有する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for imaging on a lens system and / or an image detector. Lens systems and methods are used to focus substantially parallel incident light on the detector. The lens system combines (a) a concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors, (b) a concentric spherical focus reducer, (c) a concentric spherical constellation and a concentric spherical focus reducer with two mirrors. A transfer lens system, comprising a mirror having two mirrors at a second concentric center, mirrors the concentric first center and the concentricity of the focus reducer, thereby providing a single optical system having these advantages. Provide a concentric system. The system also has (d) means for correcting the sum of spherical aberrations of all spherical mirrors in the entire system, and (e) an aperture stop.

Description

【発明の詳細な説明】高速光学システム技術分野本発明は光学レンズシステム、及び、任意には、関連した光学リレーに関する。背景技術固体画像アレー（ＣＣＤ，ＣＩＤ等）は今や多くの応用で選択されるセンサとなっている。平面的で、幾何学的に高精度で（マイクロリソグラフィ技術の限界）可視及び近赤外線スペクトル領域において高量子効率を持つようなデバイスは、実質的に完全な画像検出器としての可能性を持つ。ＣＣＤデバイスを用いた低光量レベル画像又は天体写真に対して、装置設計者の問題として、例外的な解像度及び歪み特性ばかりか、最も高い可能性の情報獲得率を達成するような速度において、整合する性能を持つ光学システムを見出すことである。しかしながら、開口径が１５０ｍｍを越えると、光学ガラスの同質性が厄介な問題となり、設計的な解決法として、一般に全開口径の１つの屈折成分を通常必要とする反射光学系又は反射屈折系に換算する。ＣＣＤ画素構造で要求する寸法の限界に対して、高速（例えばｆ／４以上）及び高くかつ均一な解像度という特性を合わせて持つようなシステムは、ごくわずかである。このような観念的な強制に対して、もし、製造上の容易さや緩い許容誤差のような現実的な態様が加えられるならば、適切な設計のための一覧表は極めて簡単なものとなる。この一覧表の上位はシュミットカメラとその変形型で占められる。しかしながら、設計のパラメータとしてより高速で均一な平面での解像度に向かうと、充分な開口の非球面補正器の限界が、より困難で高価な製造と、重要な残差球面色収差と傾斜効果という形で明らかになってくる。マクストフ(Maksutov)カメラの設計においても同様に大型で充分な開口の厚いメニスカス集光要素に関連した問題が生じる。それは、より小さな傾斜効果の利点が設計上の速度が増加するにつれて高次の球面色収差により無効になる程である。幾つかの低光量レベル設計は克服しなければならない更なる障害は、ＣＣＤ用の低温保持装置を手配する必要があることである。この要求は、理想的には焦点が外部からアクセス可能なことであり、そのかわりにカセグレン(Cassegrain)システム又は少なくとも折り返し方式を含むことになる。本発明に関連して、既にニュージーランド特許出願(第236307/236308号)及び日本特許出願(特願平4-185640(特開平6-82699))に開示している。本発明はこれらのシステムの改良に関するものである。本発明は、前述の問題を解消し速度と直径について今までなかった範囲に相当する方式の技術的な組合せという点で新規な光学設計である。さらに、本発明の好適な実施例として低価格な構成を持ち、少なくとも有用な選択肢を持った公衆性を提供する高速光学システムである。発明の開示本発明によれば、より広義には検出器への実質的な平行入射光の焦点を合わせるのに好適なレンズシステムからなる。本システムは、（Ａ）２つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システム、（Ｂ）同心球面焦点リデューサ(reducer)、（Ｃ）同心の第１の中心（２つのミラーを持つシステムの同心）を同心の第２の中心（焦点リデューサの同心）に映すことにより、２つのミラーを持つカセグレン式システムの同心と同心球面焦点リデューサの同心を結合し、それによりこれらの利点を合わせ持つ単一の光学同心システムを提供するための移動（トランスファ）レンズ、（Ｄ）システム全体の球面ミラーの球面収差の和を補正する手段、及び（Ｅ）開口絞り、を具備する。好適にはレンズシステムは、さらに、（Ｆ）焦点リデューサの焦点における像検出手段（以降、「検出器」）、を含む。好適には前記２つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システムは如何なる開口絞りも含まない。好適には前記同心球面焦点リデューサは少なくとも１つの球面ミラー要素を含む。好適には前記同心球面焦点リデューサは少なくとも１つの屈折器要素を含む。好適には前記トランスファレンズ・システムは屈折単一レンズである。好適には前記同心球面焦点リデューサは以下のグループから選択される。ｉ．ベイカー(Baker)カメラの変形型、 ii．ホーキンズ(Hawkins)及びリンフート(Linfoot)カメラの変形型、 iii.マクストフ又はボウワー(Bouwer)カメラの派生、である。好適には前記同心球面焦点リデューサは、ホーキンズ及びリンフートカメラ・システムの変形型であり、前記開口絞りがその一部を形成してシステム全体の全ての球面ミラーの色収差の和を補正する手段である。好適にはシステム全体の全ての球面ミラーの色収差の和を補正する手段は、同心焦点リデューサを持った同心メニスカスである。好適には前記同心メニスカスにより導入される色収差は、開口絞りに配置される屈折要素により補償される。好適には前記屈折要素は、例えば、２重（タブレット）レンズ又はその組合せのような、ゼロパワー・色レンズ又はその組合せである。その他として、前記屈折要素は弱い正パワーを持つ１重（シングレット）レンズである。好適には前記ゼロパワー・屈折要素は、瞬間光が軸上の他にレンズシステム全体に角度を持つときに、焦点の困難性の実質的な程度を来さない程度に充分に弱い非球面帯状補正器表面を含む。好適には前記レンズシステムは実質的にｆ／１よりも速い。好適には前記レンズシステムは約ｆ／０．８である。好適には前記検出器は含まれる。好適には前記検出器は固体検出器である。好適には前記検出器は実質的に平面状の検出表面を持つ。図面の簡単な説明図１は、本発明の実施例を含む天体カメラでの速度と寸法との関係を示す。図２は、従来の同心カセグレンシュミット又はマクストフカメラの図である。図３は本発明の好適な実施例の図である。図４は本発明の一部を形成する光学リレーの斜視断面図である。図５は本発明の好適な実施例の斜視断面図である。図６は例１による本発明の好適な実施例における非球面の輪郭である。図７は例１のシステムの断面及び側面拡大図である。図８は例１のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。図９は例２のシステムの断面及び側面拡大図である。図１０は例２のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。図１１は例３のシステムの断面及び側面拡大図である。図１２は低温保持装置の同心窓を含むリレーの他の形態を示す斜視断面図である。図１３は例３のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。図１４（Ａ），１４（Ｂ），１４（Ｃ）は、本発明の好適な形態における同心球面焦点リデューサを提供する変形された、従来のマクストフ，ベーカー及びホーキンス＆リンフートカメラの図である。発明の詳細な説明本発明の好適な形態は、焦点リデュースリレーを持ち、全ての臨界表面が球面である同心カセグレン状カメラ・システムである。ここで述べるリレーは同様に同心システムであり、外部焦点においてｆ／１速度特性を提供するが、他のリレーが異なる速度／像−スケールパラメータを与えるために使用可能であることに注目すべきである。図１は指定の設計形式が適切とする開口と速度の範囲を示す。本発明は「新帯域」と指定した領域に適切である。概念の記載の始めは図２に示すように同心カセグレン・シュミット又はマクストフカメラ設計である。これらは開口絞り２３、１次ミラー２４、２次ミラー２５、及び焦点面２６である。シュミット非球面補正器２１における傾斜効果又はマクストフ補正器２２における高次球面色収差から離れて、これらの設計の像品質は全体的な範囲で均一である。ミラーの曲率の共通中心に配置され開口絞りを満たすシュミット補正器は対称な軸を持ち、無色形式においてマクストフ・メニスカスを行う。これらの設計の製造上の違反は、全開口非球面又は全開口厚さマニスカス補正器及び補正器を支持するために必要な構成とチューブの長さを必要とする。図３において、もし補正器がこの設計から除外され開口絞りがミラーの曲率の共通中心にて左側の位置に置かれるとすると、その結果は明らかに全視野角にて著しい球面収差をもたらすことになる。もし、フィールドレンズがカセグレン焦点位置の近くに置かれたとすると、開口絞り及びミラーの曲率の共通中心の像は１次ミラー３１のさらに後方に作られる。もし、実際の開口絞り３２がこの像と一致して配置されると、従来のシュミット開口絞りの機能（全視野角にての淵部光線の描画）は２重になることは明らかであり、その結果、従来の開口絞りは除去される。ミラーの曲率の共通中心及び従来の開口絞りは光学的に新たな位置に移される。直接の利点はおおそ第１／第２の分離と同じ寸法にカメラ寸法が縮小することである。球面収差は新たな開口絞り３２の中心と同心のメニスカス要素３３の挿入により補正することができ、これは従来のシュミット配置から光学的に移された同心３４の新たな中心である。同心の中心のこのような移動はフィールドレンズ３５の第１の機能であり、本明細書において以降、移動（トランスファー）レンズと称する。カセグレン焦点は２つのミラーの間の位置に再配置されることに注目すべきである。光学的配列は２次ミラー３７の前方への小さなシフトにより全体的に短縮される。補正された像は仮想のものであり、再配置された「カセグレン」焦点と補正メニスカス３３の間で位置３６に位置され、これは補正メニスカスの実際的な負のパワーのためである。実像を再設定することは、当然開口絞りと一致する入射瞳に据えられるべきリレーレンズを必要とする。明らかに、多数の仕様が異なる共役比を持ったリレーレンズに対して存在する。ここで記載されるリレーはＣＣＤデバイスの代表的な寸法に対して相対的に大きな仮想像を減少することができ、以前の光学の同心概念と原理を共にし、軸外れ収差からの本質的な独立を保持する。高速焦点リデューサは「低速の」の望遠鏡及び小型の検出器デバイスに対して周知であるが、本発明では、通常でない協同的な融合は前述のサブシステムと図４の焦点減小リレーの形式の間で可能である。同心メニスカス４４は、基本的な発明サブシステム対して前述したと同じ方法で視野角とは独立に、凹形の球面ミラーの球面収差の補正を行う。タブレット４５は非焦点であり、メニスカス４４の色誤差と同等又は反対の色誤差を生じる。開口絞りに位置されているので、タブレット４５は全ての光束上で等しく作用しシステムの全体的な同心を乱さない。図４において物理的な２つの曲率中心があることに注目すべきである。開口絞り４５の中心はメニスカス４４の曲率中心であるが、この中心は折り返し面４６により位置４０に反射される。この配置はより大きなアクセスの可能性において外部焦点を達成することを可能にする。視野曲率は、特にシュミットカメラにて周知のように、同心設計において固有であり、焦点面に近い視野平坦化レンズ４８の挿入により補正されるが、少なくとも通常のシュミット幾何学では重要な軸外れ収差の導入を犠牲にしている。しかしながら、数値的な開口（速度）は増加し、この問題は焦点表面幾何学のより小さなスケールにより部分的にオフセットとなる。本発明の明細書で述べた実施例において、視野平坦化レンズは、残存の球状色ニジミにさほど重要でない劣化を与えるために弱いものとなている。リレーの開口絞り及び新サブシステムの移動した開口絞りを併合することにより、高速画像システムが組み立てられている。図５は軸外れ１．８３度の代表的な軸外れ角度で示される子午光線に併合した結果で得られたレイアウトを示す。システムは１次ミラー５１及び２次ミラー５２を有する。また、システムは補正グループ５４及び５５（図４のメニスカス４４及びタブレット４５と同等）及び折り返し面５６を含む。図５の視界は最終的な平坦な焦点表面を描く小さく弱い視野平坦部５８である。この特定の設計において、視野平坦部レンズ５８はＣＣＤ検出器の被覆されないシリコン構造に光学的に結合されている。これは視野平坦部５８により寄与される付加的な収差を最小にし、かつ汚れからＣＣＤ表面を保護するために供される。焦点表面からこのレンズを分離することは画像先鋭化の劣化と共にｆ／１光線の円錐に押し入ることになる。図５に示すシステムにおいて、このシステムの特性を以下にまとめる。（ａ）焦点パワーはミラーに帰し、非色彩である。（ｂ）球面ミラーは光学的に同心であり、従って、開口絞りが曲率の中心（又は光学的に等価な）位置にある時にコマ及び非点収差を除去する。（ｃ）球面収差補正は反射性光学要素に対する単なる必要付加物である。これは補正器グループの機能である。（ｄ）残存収差は弱い高次のコマ及び非点収差を備えた２次色の、低い振幅の組み合わせであり、トランスファレンズの非同心表面において１次的に発生される。（ｅ）「ぼかし」は最少である。中心の「食」は折り返し部の貫通及びリレーミラーにより決められ、設計ではそれらの間の空間に２次ミラーを映すように調整するように提供される。以下の例１において、中心の「食」は軸上で約３１．２％であり、直径１１ｍｍの像の周囲で３３％に増大する。（ｆ）歪みは最小であり、ニジミ点の径よりも一般に小さい振幅を持つ。製造コストを将来的に最小にするために、設計例では光学的な要素の曲率半径に対して仕事場用具の「スミスリスト」を使用する。残存収差補正に対する非最適性があるが、性能の差は無視し得る。以下の３つの例、２００ｍｍ開口ｆ／０．９可視／ＮＩＲ、１０００ｍｍ開口ｆ／０．８可視／ＮＩＲ、２００ｍｍ開口ｆ／０．９３熱赤外線視界、は基本設計の種々の相違点を示す。仕様表は、Ｚ軸が光学軸でありＸ及びＹ軸は互いに直交する座標系に基づく。この設計例において、基点は１次ミラーの曲率の中心である。“Ｄ”及び“ｄ” は環状の直径の外側及び内側の寸法である。非球面トリマの輪郭は以下の多項式で規定される。ｚ＝ｃ．ｘ²/２+ ａ_2.ｘ⁴+ ａ_6.ｘ⁶+ ａ_8.ｘ⁸ ここで、ｃは曲率であり、ｘはｘ軸であり、ａ_nは係数である。このシステムのクラスに与えられる最初の２つの例の通過帯域は、一般的なＣＣＤデバイスのスペクトル感度に整合しており、最も高い応答は４５０ｎｍと１１００ｎｍの間である。光学ガラスに対する対応する屈折指標データは、スペクトル線ｇ，ｅ，ｄ，Ｃ，ｒ，ｓ及びｎ_1060.0に対して公表されており、分析を目的とする良好な適用範囲を提供する。初期の光線追跡プロセッサは、軸外れ光線に対して優勢な残存収差として幾つかのコマを常に示し、非同心要素から発散する。これは、同心カセグレンサブシステム内に等しく及び反対のコマを導入することにより充分に修正され、ここで選ばれる技術は、移動を不完全に同心にするようにトランスファレンズの焦点距離を増加する技術である。この手法の効果は、古典的なシュミット配置（１次ミラーの曲率の中心）から離れて入射瞳の中心を変位させ、軸外れ角度に横方向に釣り合い、かくして所望の補償が行われる。その後、光線追跡は、非球面表面に配置された開口絞りが各スペクトル線い対して正確に周辺光線を描くことを確実にさせることで行われる。以下に示す中間光の収差グラフは、垂直軸として入射瞳における光線の高さ及びを持ち、水平軸は焦点面を遮断した横方向位置を与える。２次元ヒストグラムは振幅方向に規格化され、任意の顕著な細部構造は線スペクトル光追跡から導かれる。最も関連のある特徴は３２×３２μｍの焦点パッチの「足跡」の最大範囲である。非球面帯状補正器の表面の輪郭は図６に示される。ｚ軸はＸ軸（垂直の）に関連して２０００の要素により拡大される。図７は本例の側面図であり、図８は計算された性能のグラフィック表示である。図８の子午光線収差曲線は、視野角度が増大するような無秩序な極限への傾向のない中庸な安定性を示している。２次元ヒストグラムが示すように、４３６から１０６０ｎｍまでの全てのエネルギは、１．４５５°軸外れにおける３２×３２μｍ焦点領域にのみ焦点を結ぶ（７×９ｍｍ又は「２／３インチ」のビデオ標準像の側に対応する角度半径）。１ｍより顕著に大きいＥＰＤにおいて、新設計システムにおける強制は、同心カセグレン焦点における球面収差のより大きな寸法により賦課され、トランスファレンズによりシステムの開口絞りに対して理想の入射瞳のマッピングに重大な誤りを発生する。結果としての高次の収差は適切なＣＣＤ検出器の画素寸法に関連して受入れ可能なレベルを越える傾向にある。例２は１０００ｍｍ開口視界を示す。１ｍ変形例のトランスファレンズにて使用される特別な色彩の補正要素がある。これは、スペクトル帯域通過の端部に起因するニジミ点の外側部分を整えるために助けとなる。図９は光学レイアウトの側面図を示し、図１０はコンピュータ中間光のグラフィック図及びニジミ点特性を示す。熱赤外線変形例スペクトルの他の領域が利用され、適切な検出器及びこの設計の原理が適用される屈折媒体に与えられることは明らかである。近年において、熱赤外線検出器のアレーが製造されている。新画像システムに関連して最も有用なものは現在市場にて入手可能なｐｔ：Ｐｔ−Ｓｉアレーである。スペクトル領域３．５−５．５μｍにおける有用なスペクトル感度と共に、これらの検出器は全体的に通常の可視／ＮＩＲシリコン描画に類似の画素寸法を持つ。さらに、スペクトル領域３．５−５．５μｍにおいて、ゲルマニウムは低価格であり、高速リレーの屈折要素に適合する光学媒体に容易に適合するものであり、高屈折指標はフィールド／トランスファレンズの球面曲率において大きな縮小を可能にし、フィールド／トランスファレンズは本設計の可視／ＮＩＲ視界の軸外れ特性を制限する高次収差における対応する重要な縮小を与える。例３の表は新システムの熱視界の光学設計を表にしたものであり、表１に与えられた例の殆どの特性で比較可能である。図１１は光学レイアウトの側面図である。重要な相違は、詳しくは人工サファイア分散補正器１１５の開口絞りにおける使用を含み、人工サファイア分散補正器１１５は１重フォーマットのみを持つが、しかしスペクトル帯域３．７−５．５μｍにおいてはゲルマニウム同心メニスカス補正器の負の色収差を補正するために、関連する正の縦方向色収差に対して正確で充分な弱い正パワーを有する。この形式の熱カメラの本質的な要素は低温保持装置サブシステムである。低温保持装置の窓は通常、光学的に平坦に作成されているが、本設計の高速光学と共に、折り返し面にて作られる曲率の共通中心の反射と一致する曲率の中心を持つ同心メニスカス１１９として窓を作成することはより適切なことである。その斜視図を図１２に示す。この窓はシステムの補正的な負の球面収差に貢献する。図１３は中間光束及びニジミ点のコンピュータによる特性図である。焦点縮小リレーの設計の基礎としてホーキンス及びリンフートカメラにより提供される従来の設計を打破する本発明の少なくとも好適な形式の可能な利点は、補正器メニスカスが真に同心であり、色彩タブレットがゼロパワーを持ち、従って、設計者により多くの自由度を与えることである。古典的なマクストフ補正器は軸外れの小さな角度に対して色収差を真に補償するように非同心に特に設計される。しかしながら、本発明の少なくとも好適な形態はこの場合許容軸外れ角度を越えている。上述の自由度の特別な程度は光学ガラスがメニスカス及び色彩タブレットに対して選択されるようなシステムの無色化するために使用され、この色彩タブレットは通常の非色彩補正に内在する通常の２つの波長より以上の鋭い焦点を可能にする。特に、メニスカスに対してショット(Schott)ＦＫ５１を選択することにより、タブレットにより補正されるべき色収差は、ガラスＫｚＦＮ２及びＰＫ５１ａが通過帯域４００〜１１００ｎｍを越えて無色化を提供するために利用される範囲に最小化され（典型的なシリコンベースＣＣＤ画像デバイスの全体的な感知帯域幅）、一方、タブレットのゼロパワー使用を保持する。トリプレット形式は収差制御において利得を許容する。その結果、システムの解像度がファクタ約３で、全体的な画像領域を越えて５ μｍと同じに低いポテンシャルのニジミ点寸法で、ｆ／０．８程度の速度で上述の帯域に対して改善されることである。言い換えれば、これは、天文学やその他の科学的な探究にて使用されてきている新規な非常に大きなシリコンＣＣＤ画像デバイスに適合するように、設計を拡大するための能力を意味する。スケーリング(SCALING) 上述の３つの例の全ては「２／３インチ」ビデオ標準ＣＣＤ検出器の使用に基づき、この検出器は特定の数値開口（Numerical Aperture)に対する高速リレーサブシステムの線形寸法を有効に決定する。他の検出器寸法は、速度とフィールド／トランスファレンズの線形フィールドと残存収差ニジミとの適切な組合せを提供するためにリレーの変形を要求する。３つの例から、一度、検出器／リレーの組合せが当初決定されると、どのようにしてカセグレン要素が確立され、リレーの線形フィールドに所望の対象フィールド角度を整合させるか、が明らかである。２のサブシステムの融合はフィールド／トランスファ及び補正器要素の詳細な適合により達成される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION High-speed optical system Technical field The present invention relates to optical lens systems and, optionally, related optical relays. . Background art Solid-state image arrays (CCD, CID, etc.) are now the sensors of choice for many applications. Has become. Planar, geometrically accurate (with the limitations of microlithography technology) ) Devices that have high quantum efficiency in the visible and near infrared spectral regions Has the potential as a substantially complete image detector. Equipment designer for low light level image or astrophotography using CCD device The problem is not only the exceptional resolution and distortion characteristics, but also the most probable information capture. Find Optical Systems with Matching Performance at Speeds to Achieve Gain That is. However, if the aperture diameter exceeds 150 mm, the optical glass Is a troublesome problem, and as a design solution, one refraction element, typically of full aperture, is generally used. The component is converted to a normally required catoptric system or catadioptric system. High speed (for example, f / 4 or more) is required for the size limit required by the CCD pixel structure. Systems that combine the characteristics of high resolution and uniform resolution Is. If such an ideological coercion is required, if it is easy to manufacture or loose If realistic aspects such as errors are added, the list for proper design is extremely small. It's simple. At the top of this list is the Schmidt camera and its variants. However If you go to a faster and more uniform plane resolution as a design parameter, The limitations of aspheric compensators with large apertures are more difficult and expensive to manufacture, and important residual spherical color It becomes apparent in the form of differences and tilt effects. Also large and thick enough in the design of Maksutov cameras There are problems associated with the meniscus light collection element. It has the advantage of a smaller tilt effect. The point becomes ineffective as the design speed increases due to higher-order spherical chromatic aberration. You. A further obstacle that some low light level designs must overcome is that for CCDs It is necessary to arrange a low temperature holding device. This demand is ideally a focus Can be accessed from the outside, and instead a Cassegrain system It will include a stem or at least a folded-back scheme. In connection with the present invention, a New Zealand patent application (No. 236307/236308) and It is disclosed in Japanese Patent Application (Japanese Patent Application No. 4-185640 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-82699)). The present invention It is related to the improvement of these systems. The present invention solves the above-mentioned problems and corresponds to an unprecedented range of speed and diameter. This is a novel optical design in terms of the technical combination of the methods. Furthermore, the present invention Public with a low-cost configuration and at least useful options as a preferred embodiment It is a high-speed optical system that offers high performance. Disclosure of the invention According to the present invention, in a broader sense, substantially parallel incident light is focused on the detector. Lens system suitable for This system is (A) a concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors, (B) concentric spherical focus reducer, (C) Concentric first center (concentric of system with two mirrors) Casseg with two mirrors, reflected in the center of the image (concentric with the focus reducer) Combines the concentricity of the Ren system and the concentricity of the concentric spherical focus reducer, thereby Moving to provide a single optical concentric system that combines these advantages Sfa) lens, (D) means for correcting the sum of the spherical aberration of the spherical mirror of the entire system, and (E) aperture stop, Is provided. Preferably the lens system further comprises: (F) image detecting means (hereinafter referred to as “detector”) at the focus of the focus reducer. No. Preferably said concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors is suitable for any open Mouth squeezing is not included. Preferably said concentric spherical focus reducer comprises at least one spherical mirror element. No. Preferably said concentric spherical focus reducer includes at least one refractor element. Preferably, the transfer lens system is a refractive single lens. Preferably said concentric spherical focus reducer is selected from the following group: i. A variant of the Baker camera, ii. A variant of Hawkins and Linfoot cameras, iii. Derivation of Makstov or Bowwer camera, It is. Preferably said concentric spherical focus reducer is a Hawkins and Linhft camera A variant of the system, wherein the aperture stop forms part of it and This is a means for correcting the sum of the chromatic aberrations of all the spherical mirrors. Preferably, the means for correcting the sum of the chromatic aberrations of all spherical mirrors of the entire system are the same. It is a concentric meniscus with a cardiac focus reducer. Preferably the chromatic aberration introduced by the concentric meniscus is located at the aperture stop. Is compensated by the refraction factor. Preferably said refractive element is, for example, a double (tablet) lens or a combination thereof And a zero-power color lens or a combination thereof. Alternatively, the refractive element is a singlet lens with weak positive power. It is. Preferably, the zero power refractive element is such that the instantaneous light is Weak enough that it does not introduce a substantial degree of focus difficulty when angled to the body Aspherical band-like corrector surfaces. Preferably the lens system is substantially faster than f / 1. Preferably, the lens system is about f / 0.8. Preferably said detector is included. Preferably said detector is a solid state detector. Preferably, the detector has a substantially planar detection surface. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 shows the relationship between speed and dimensions in an astronomical camera including an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram of a conventional concentric Cassegrain Schmid or Maxstoff camera. FIG. 3 is a diagram of a preferred embodiment of the present invention. FIG. 4 is a perspective sectional view of an optical relay forming a part of the present invention. FIG. 5 is a perspective sectional view of a preferred embodiment of the present invention. FIG. 6 is an aspheric profile in a preferred embodiment of the present invention according to Example 1. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 1. FIG. 8 is a graphic display diagram showing the performance of the system of Example 1. FIG. 9 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 2. FIG. 10 is a graphic display showing the performance of the system of Example 2. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 3. FIG. 12 is a perspective sectional view showing another embodiment of the relay including the concentric window of the cryostat. You. FIG. 13 is a graphic display showing the performance of the system of Example 3. 14 (A), 14 (B) and 14 (C) show concentric shapes according to a preferred embodiment of the present invention. Modified conventional Mustoff, Baker and E providing spherical focus reducers FIG. 2 is a diagram of a Kinks & Lymph foot camera. Detailed description of the invention The preferred form of the present invention has a focal reduce relay and all critical surfaces are spherical Is a concentric Cassegrain-like camera system. This The relay described here is also a concentric system, with f / 1 speed characteristics at the external focus. Other relays provide different speed / image-scale parameters It should be noted that it can be used for FIG. 1 shows the range of apertures and velocities for which the specified design type is appropriate. The present invention provides a Appropriate for areas designated as "areas". The concept begins with a concentric Cassegrain-Schmidt or Max as shown in Figure 2. It is a Tof camera design. These are an aperture stop 23, a primary mirror 24, a secondary mirror 2 5, and the focal plane 26. The tilt effect in the Schmidt aspherical corrector 21 or Apart from the higher-order spherical chromatic aberrations in the Makstoff compensator 22, the image products of these designs The quality is uniform over the entire range. The aperture stop is located at the common center of the curvature of the mirror. The filling Schmidt compensator has an axis of symmetry, and in colorless form Do a scas. Manufacturing violations of these designs include full aperture aspheric or full aperture thickness Requires the varnish compensator and the necessary configuration and tube length to support the compensator And In FIG. 3, if the corrector is omitted from this design, the aperture stop will Assuming that it is located on the left side at the common center, the result is clearly at all viewing angles This will result in significant spherical aberration. If the field lens is Cassegrain If placed near the point location, the image of the common center of curvature of the aperture stop and mirror is It is made further behind the primary mirror 31. If the actual aperture stop 32 is When aligned, the function of the conventional Schmidt aperture stop (edge at all viewing angles) Obviously, the drawing of light rays is doubled, and as a result, the conventional aperture stop is excluded. Left. The common center of mirror curvature and conventional aperture stop are optically new Moved. The direct advantage is that the camera size is reduced to roughly the same size as the first / second separation Is to do You. The spherical aberration is caused by the insertion of the meniscus element 33 concentric with the center of the new aperture stop 32. Can be more corrected, which is the same optically transferred from the traditional Schmidt arrangement. It is the new center of the heart. Such movement of the concentric center is the field lens 3 5 is a first function, and is hereinafter referred to as a moving (transfer) lens. Called. Note that the Cassegrain focus is repositioned between the two mirrors. is there. Optical alignment is shortened overall due to small forward shift of secondary mirror 37 Is done. The corrected image is virtual, with the repositioned “Cassegrain” focus Located at position 36 between the correction meniscuses 33, this is the actual Because of the negative power. Resetting the real image naturally matches the aperture stop Requires a relay lens to be placed on the entrance pupil. Obviously, many specifications differ. It exists for a relay lens having a conjugate ratio of: The relays described here Can reduce large virtual images relative to typical dimensions of CCD devices And combine the principles and principles of previous optical concentricity, eliminating the essential independence from off-axis aberrations. Hold. Fast focus reducers are used for "slow" telescopes and small detector devices It is well known that, in the present invention, unusual cooperative fusion is Four types of focus reduction relays are possible. The concentric meniscus 44 has a basic Independent of the viewing angle in the same manner as described above for the inventive subsystem, the concave spherical surface Correction of spherical aberration. The tablet 45 is out of focus and has a color equal to or opposite to the color error of the meniscus 44. An error occurs. Since the tablet 45 is located at the aperture stop, the tablet 45 Works equally well and does not disturb the overall concentricity of the system. It should be noted that there are two physical centers of curvature in FIG. is there. The center of the aperture stop 45 is the center of curvature of the meniscus 44, but this center is The light is reflected to the position 40 by the turning surface 46. This arrangement allows for greater access Allows to achieve an external focus on performance. Field curvature is inherent in concentric designs, especially as is well known in Schmidt cameras Is corrected by inserting the field flattening lens 48 close to the focal plane. At the expense of introducing significant off-axis aberrations in normal Schmidt geometry. I However, the numerical aperture (velocity) has increased and this problem has Smaller scales result in partial offsets. Implementation described in the specification of the present invention In the example, the field flattening lens is not significantly degraded by residual spherical color blur. Is weak to give. By merging the aperture stop of the relay and the moved aperture stop of the new subsystem A high-speed imaging system has been assembled. FIG. 5 has been merged into a meridional ray shown at a typical off-axis angle of 1.83 degrees off-axis. The resulting layout is shown. The system comprises a primary mirror 51 and a secondary mirror 5 2 The system also includes correction groups 54 and 55 (meniscus 4 in FIG. 4). 4 and the tablet 45) and the folded surface 56. The field of view in FIG. 5 is a small weak field flat 58 that describes the final flat focal surface. . In this particular design, the field flat lens 58 is uncoated with the CCD detector. Optically coupled to a new silicon structure. This is contributed by the flat field of view 58. Provided to minimize additional aberrations and protect the CCD surface from dirt You. Separating this lens from the focal surface is accompanied by poor image sharpening and f / 1 light Will break into the cone of the line. In the system shown in FIG. 5, the characteristics of this system are summarized below. Confuse. (A) The focal power is attributable to the mirror and is non-colored. (B) the spherical mirror is optically concentric, so that the aperture stop is at the center of curvature (or Removes coma and astigmatism when in the (optically equivalent) position. (C) Spherical aberration correction is simply a necessary addition to reflective optical elements. this Is the function of the compensator group. (D) low residual amplitude, low amplitude, low order coma and secondary color with astigmatism Combination that is primarily generated on the non-concentric surface of the transfer lens You. (E) "Blur" is minimal. The central "meal" is the penetration of the folded part and the relay Determined by the mirrors, the design is adjusted to reflect the secondary mirror in the space between them. Provided to adjust. In Example 1 below, the center “meal” is about 31. 2%, increasing to 33% around a 11 mm diameter image. (F) The distortion is minimal and generally has an amplitude smaller than the diameter of the bleeding point. In order to minimize manufacturing costs in the future, the design example uses the radius of curvature of the optical element. Use the "Smith Wrist" for workplace tools. Non-maximum for residual aberration correction Although suitable, performance differences are negligible. The following three examples, 200 mm aperture f / 0.9 visible / NIR, 1000 mm aperture f / 0.8 visible / NIR, 200mm aperture f / 0.93 thermal infrared field of view Various differences of the total are shown. The specification table is based on a coordinate system in which the Z axis is the optical axis and the X and Y axes are orthogonal to each other. In this design example, the origin is the center of curvature of the primary mirror. “D” and “d” Are the outer and inner dimensions of the annular diameter. The contour of the aspheric trimmer is the following polynomial Is defined by z = c. x^Two/ 2 + a_2.x^Four+ a_6.x⁶+ a_8.x⁸ Where c is the curvature, x is the x-axis, and a_nIs a coefficient. The passbands of the first two examples given to this class of system are given by the general C Matches the spectral sensitivity of the CD device, with the highest response at 450 nm and 1 It is between 100 nm. The corresponding refractive index data for optical glass is G, e, d, C, r, s and n_1060.0Has been published for It offers good coverage. Early ray tracing processors found some residual aberrations dominant for off-axis rays. It always shows that piece and diverges from non-concentric elements. This is the concentric Cassegrain Fully modified by introducing equal and opposite tops in the stem, where The technology of choice is the focal length of the transfer lens so that the movement is imperfectly concentric. This is a technique that increases separation. The effect of this technique is the classic Schmidt arrangement (primary Displace the center of the entrance pupil away from the center of curvature of the The balancing and thus the desired compensation is provided. The ray tracing is then applied to the aspheric surface Ensure that the placed aperture stop accurately describes the marginal rays for each spectral line It is done by making it. The aberration graph for the intermediate light shown below shows the height of the ray at the entrance pupil as the vertical axis. The horizontal axis gives the lateral position intercepting the focal plane. The two-dimensional histogram is normalized in the amplitude direction, and any striking detail structures are Derived from cuttle light tracking. The most relevant feature is a 32 x 32 μm focal patch Is the maximum range of "footprints". The surface profile of the aspherical band corrector is shown in FIG. The z axis is related to the X axis (vertical) It is enlarged by 2000 elements in a row. FIG. 7 is a side view of the present example, and FIG. It is a graphic display of the calculated performance. The meridional ray aberration curve in FIG. 8 shows a tendency toward a chaotic limit as the viewing angle increases. It shows moderate stability without any. 436, as the two-dimensional histogram shows From 1060 nm to 32 × 3 at 1.455 ° off-axis. Focus only on 2 μm focal area (7 × 9 mm or “２ inch” video target) Angular radius corresponding to the side of the quasi-image). At EPDs significantly larger than 1m, the forcing in the newly designed system is concentric Imposed by the larger dimension of spherical aberration at Cassegrain focus, Lens is critical for mapping the ideal entrance pupil to the system aperture stop Generate an error. The resulting higher order aberrations are related to the proper CCD detector pixel size. They tend to exceed acceptable levels continuously. Example 2 shows a 1000 mm aperture view. Used for 1m modified transfer lens There are special color correction factors used. This occurs at the end of the spectral bandpass. It helps to trim the outer portion of the bleeding point. FIG. 9 shows a side view of the optical layout, and FIG. 10 shows a graph of computer intermediate light. FIG. Thermal infrared modification Other regions of the spectrum are utilized and appropriate detectors and principles of this design apply. It is clear that the refraction medium provided is In recent years, thermal infrared detectors Arrays are manufactured. The most useful in connection with the new imaging system is It is a pt: Pt-Si array available in the field. Spectral region 3.5-5. With useful spectral sensitivity at 5 μm, these detectors are generally It has a pixel size similar to visible / NIR silicon drawing. Further, in the spectral region of 3.5-5.5 μm, germanium is inexpensive And is easily compatible with optical media that is compatible with the refractive elements of high speed relays. , High index of refraction greatly reduces field / transfer lens spherical curvature And the field / transfer lens is the axis of the visible / NIR field of view of this design It provides a corresponding significant reduction in higher order aberrations that limits outliers. The table in Example 3 tabulates the thermal design optical design of the new system and is given in Table 1. Most of the properties of the examples given are comparable. FIG. 11 is a side view of the optical layout. You. An important difference is in the aperture stop of the artificial sapphire dispersion compensator 115 in detail. Including use, the artificial sapphire dispersion compensator 115 has only a single format, But in the spectral band 3.7-5.5 μm the germanium concentric menis To compensate for the negative chromatic aberration of the weed compensator, the associated positive longitudinal chromatic aberration It has accurate and sufficient weak positive power. An essential element of this type of thermal camera is the cryostat subsystem. low temperature The holding device windows are typically made optically flat, but are shared with the high speed optics of this design. Has a center of curvature that matches the reflection of the common center of curvature created at the turning surface Creating a window as a concentric meniscus 119 is more appropriate. That oblique A perspective view is shown in FIG. This window contributes to the system's corrective negative spherical aberration. FIG. 13 is a characteristic diagram of the intermediate luminous flux and the bleeding point using a computer. Provided by Hawkins and Linhhoot cameras as the basis for the design of the focus reduction relay The possible advantages of at least the preferred form of the invention that break the conventional designs offered are: The compensator meniscus is truly concentric and the color tablet has zero power and To give designers more degrees of freedom. Classic Maxtov compensator Is specifically designed non-concentrically to truly compensate for chromatic aberration for small off-axis angles It is. However, at least a preferred form of the invention provides in this case an acceptable off-axis angle. Is over. The special degree of freedom described above is due to the fact that optical glass can be used for meniscus and color tablets. Used to colorless the system as selected by This color tablet uses the normal two wavelengths inherent in normal non-color correction. Allows for sharper focuses In particular, by selecting the Schott FK51 for the meniscus, The chromatic aberration to be corrected by the tablet is the glass KzF N2 and PK 51 a is used to provide colorlessness beyond the pass band 400-1100 nm Minimized range (overall sensing of a typical silicon-based CCD imaging device) Bandwidth), while retaining the zero power usage of the tablet. The triplet format is Allow gain in aberration control. As a result, the resolution of the system is a factor of about 3, The size of the bleeding point having a potential as low as μm, and at a speed of about f / 0.8 Is improved with respect to the band. In other words, it has been used in astronomy and other scientific explorations. Design to accommodate new and very large silicon CCD imaging devices. Means ability to do great. SCALING All three examples above are based on the use of a "2/3" video standard CCD detector. This detector is a high-speed relay for a specific numerical aperture. Effectively determine the linear dimensions of the subsystem. Other detector dimensions include speed and feel The appropriate combination of the linear field of the transfer / transfer lens and the residual aberration Requires a variant of the relay to provide. From the three examples, once the detector / relay combination is initially determined, The Cassegrain element is established and the desired target field is added to the linear field of the relay. It is clear whether to match the field angles. Feel the fusion of the two subsystems This is achieved by a detailed adaptation of the transfer / transfer and compensator elements.

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Claims

[Claims] 1. A lens system suitable for focusing substantially parallel incident light on the detector And (A) a concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors, (B) concentric spherical focus reducer, (C) Concentric first center (concentric of system with two mirrors) Casseg with two mirrors, reflected in the center of the image (concentric with the focus reducer) Combines the concentricity of the lenticular system and the concentricity of the concentric spherical focus reducer, thereby Transfer to provide a single optical concentric system that combines these advantages lens, (D) means for correcting the sum of spherical aberration of the spherical mirror in the entire system; (E) aperture stop, A system comprising: 2. further, (F) image detecting means (hereinafter, detector) at the focus of the focus reducer. The lens system according to claim 1. 3. The concentric spherical Cassegrain-like system with the two mirrors can be used with any aperture. The lens system according to claim 1, wherein the lens system does not include an aperture. 4. The concentric spherical focus reducer includes at least one spherical mirror element. The lens system according to claim 1, 2, or 3. 5. The concentric spherical focus reducer includes at least one refractor element. 4. The lens system according to 1, 2, or 3. 6. 2. The method of claim 1, wherein the transfer lens system is a refractive single lens. 5. The lens system according to any one of 4. 7. The concentric spherical focus reducer is: i. A variant of Baker Camera, ii. A variant of Hawkins and Linhhoot camera, iii. Derivation of Makstov or Bower camera, The lens system according to any one of claims 1 to 5, wherein the lens system is selected from the group consisting of: M 8. The concentric spherical focus reducer is a Hawkins and Linhft camera system. A modified version of the system, wherein the aperture stop forms part of 7. A means for correcting the sum of chromatic aberrations of a spherical mirror according to any one of claims 1 to 6. The described lens system. 9. The means for correcting the sum of the chromatic aberrations of all the spherical mirrors in the entire system is the same. 8. A concentric meniscus having a cardiac focus reducer according to claim 1. The lens system according to item 1. 10. Chromatic aberration introduced by the concentric meniscus is located at the aperture stop The lens system according to claim 1, wherein the lens system is compensated by a refractive element. M 11. The laser according to claim 9, wherein the refracting element is a zero power / color double lens. System. 12. The refracting element according to claim 9, wherein the refracting element is a single lens having a weak positive power. Lens system. 13. The refractive element is such that the instantaneous light is angled throughout the lens system besides the axis Sometimes, the aspheric band complement is weak enough not to cause a substantial degree of focus difficulty. The lens system according to claim 9, comprising a genuine surface. 14． 13. The lens system according to claim 1, wherein the lens system is substantially faster than f / 1. A lens system according to any one of the preceding claims. 15. 2. The lens system of claim 1, wherein said lens system is about f / 0.8. 3. The lens system according to any one of 3. 16. 15. A lens according to any one of the preceding claims, wherein the detector is included. system. 17． 16. The device according to claim 1, wherein the detector is a solid state detector. Lens system. 18. 17. The method of claim 1, wherein the detector has a substantially planar detection surface. A lens system according to any one of the preceding claims. 19. A method of projecting substantially parallel incident light on an image detector, comprising: (i) a concentric sphere with two mirrors with an entrance pupil located at the center of the curvature of the mirror Create an intermediate image with a surface Cassegrain-like system, (ii) relaying the intermediate image to an image detector by a concentric spherical high-speed focus reducer. Wherein the method comprises: (A) a refractive transfer lens or lens system disposed at or near the intermediate image; The stem has the following functions: (a) as a field lens for the intermediate image, (b) the concentric spherical Cassegrain-like system and the concentric spherical high-speed focus reducer As a means to join the independent concentrics of (c) As means for defining an aperture stop that is an image of the entrance pupil, Function, (B) The concentric meniscus corrector is used to correct the spherical aberration of the entire system. Provided to fast focus reducer, A method of projecting substantially parallel incident light on an image detector. 20. The relative dimensions of the entrance pupil and the aperture stop are specific to the system task. 20. The method of claim 19, wherein the method is matched to a valid detector. 21. The size of the aperture stop is selected to be smaller than the size of the entrance pupil, Enables higher values of the value aperture and an exceptional degree of aberration correction, Allows optimal matching to detectors specific to 20. The method of claim 19, wherein: